一种用于牛粪好氧发酵的起爆剂及其制备方法
技术领域
本发明属于农业农村废弃物资源化技术领域，具体涉及一种用于以牛粪为主要原料进行好氧发酵的起爆剂及其制备方法。
背景技术
随着生活水平的提高，人们对奶制品、肉制品的需求大幅增加，加速了我国奶牛、肉牛养殖业的规模化发展。同其它畜禽养殖业相比，奶牛和肉牛养殖业产生的粪污最多，处理难度也最大，已成为养殖业健康和可持续发展的瓶颈。由于奶牛饲料消化率高，粪污中木质纤维类物质含量高，还有丰富的氮磷等养分，据估算，1吨牛粪污相当于2.42千克氮素、0.39千克磷素，是宝贵的肥料资源。好氧发酵是牛粪无害化处理和肥料化利用的重要方式，通过微生物好氧发酵能够有效地将粪便中的大分子物质转化成二氧化碳、氨等小分子物质及高分子量的腐殖质，既能防治环境污染，又能为农业绿色生产提供大量优质的有机肥料。
好氧发酵原料C/N比、水分、温度、通气状况、pH值等工艺参数与发酵微生物生长和活性密切相关，进而影响发酵效率和产品腐熟度。好氧发酵在升温、高温、降温和腐熟四个阶段均有微生物参与，不同阶段皆有不同类型的优势微生物，包括细菌、真菌、放线菌。升温期和降温期各类中温微生物活跃地进行新陈代谢，当堆体的堆温上升到50℃时，堆体中的主导微生物为各类芽孢杆菌、霉菌等好氧嗜温的微生物。温度达到60℃以上进入高温阶段时，主要发挥作用的是好热真菌、耐高温放线菌、耐高温芽孢杆菌等一些好热微生物。微生物繁殖的快慢决定着好氧发酵时间的长短，而微生物繁殖的快慢又受营养物质丰缺的制约，有效营养丰富，微生物繁殖速度就快，反之则慢。为促进有机物质腐熟，加速发酵初期物料的分解，缩短发酵周期，提高发酵产品品质和效率，好氧发酵过程会加入适量的无机调理剂、易降解碳源和接种外源微生物等添加剂，包括起爆剂、膨胀剂、接种剂、调理剂等。起爆剂是根据微生物的营养机理，选用微生物易利用的有机物质如糖、蛋白质以及适合有益微生物营养要求的化学药品，按一定比例配制而成的营养调节剂，可以增加发酵开始时微生物的活性，达到“起爆”效果。中国专利CN103694010B公开了一种污泥超高温好氧发酵方法及其应用，该专利通过调控污泥等有机固体废弃物发酵原料、添加发酵起爆剂等，提高城市污泥处理效率，缩短发酵周期，其中起爆剂由甲基营养型芽孢杆菌和地芽孢杆菌两种菌剂及氯化亚铁、硫酸镁、硝酸钠、石灰等助料。中国专利CN110357678A公开了一种用于沼渣好氧发酵的起爆剂及其制备方法，该起爆剂由芽孢杆菌、乳酸菌、肠球菌、短芽孢杆菌、类香味菌和醋酸杆菌等复合微生物菌剂、生物炭、木醋酸制备得到，用于提高沼渣好氧发酵效率。
牛粪养分含量较高，但木质纤维素类物质含量约占50％以上(干基)，难以快速降解，含水率高，导致好氧发酵时存在升温速率慢、高温期短，发酵效率低、腐熟时间长等问题。为促进牛粪好氧发酵腐熟，目前好氧发酵程中多数添加外源菌剂，而市场上成熟的好氧发酵促腐熟菌剂多为国外引进，价格昂贵、种类不多，并且接种这些外源菌剂，在初期容易出现发酵物料中土著微生物与之激烈的竞争，导致外源菌剂无法在发酵物料中快速定殖，发挥的作用大打折扣。专利CN201310362501.X提供了一种牛粪堆肥发酵制备有机肥的方法，本方法采用了两次堆肥发酵以及添加腐熟促进剂，但是两次发酵和烘干方法减少发酵物料水分，耗能较高；同时通过添加碳酸氢钠和重过磷酸钙等生成二氧化碳以膨松牛粪，增加透气性，但得到的有机肥中大量钠、钙等化学物质在土壤中积累会导致土壤板结等问题。专利CN201310430957.5提供了一种用于堆肥发酵复合菌剂及其应用的方法，本方法所采用的复合菌剂由黄孢原毛平革菌、灰略红链霉菌、枯草芽抱杆菌、甲基营养型芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌的固体菌剂按照1-2:1-2:1-2:1-2:1-2的重量比配制，但是该方法复合微生物筛选培养过程复杂，且发酵周期较长，均在40天以上，发酵效率较低。专利CN201710084466.8提供了一种牛粪堆肥促熟保氮菌剂及应用方法，通过将高温菌芽孢杆菌、中温菌霉菌及低温菌酵母菌复配而成，使其在升温期、中温期、高温期等不同阶段发挥作用，但该方法34天时才达到腐熟度标准，且腐熟发酵周期较长为50天。由于畜禽种类和饲养模式差异大，畜禽粪便和沼渣的成分非常复杂，差异较大，针对污泥和沼渣好氧发酵过程起爆剂的研发较多，但基于牛粪好氧发酵过程微生物群落结构和活性变化特征而研发的起爆剂较少，可用于提高牛粪好氧发酵效率、缩短升温时间的起爆剂也较少。
研究表明，以牛粪为主要原料的好氧发酵过程，升温较慢，尤其在冬季低温，难以达到无害化和腐熟要求。因此，有必要针对牛粪好氧发酵过程木质纤维素类物质变化及微生物群落结构变化特征，结合物理、化学和微生物学原理，以无机调理剂、易降解碳源和复合微生物菌剂为原料研发环保高效低成本牛粪好氧发酵起爆剂，以加快好氧发酵升温，延长高温期，提高好氧发酵产品质量，提高牛粪好氧发酵效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于牛粪好氧发酵的起爆剂及其制备方法。
本发明所提供的用于牛粪好氧发酵的起爆剂，包括火山石、葡萄糖、复合微生物菌剂及用于培养所述复合微生物菌剂的微生物培养基。
其中，所述复合微生物菌剂通过将不同种属的微生物菌剂混合培养制备得到；
所述微生物菌剂包括：蚀木链霉菌、枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、芽孢梭菌、高温单孢菌、纤维弧菌；
其中，蚀木链霉菌、枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、芽孢梭菌、高温单孢菌、纤维弧菌的数目比可为：20-30：15：5：10-20：15-25：10-20，具体可为：27：15：5：18：20：15或25：15：5：20：25：10。
每g复合微生物菌剂中的活菌数达5×108以上。
所述微生物培养基通过向每1L水中加入牛肉膏5g，蛋白胨15g，氯化钠5g，121℃灭菌25～30min制备得到。
所述火山石、葡萄糖和微生物培养基混合制备成固定化培养基，
所述固定化培养基中，火山石、葡萄糖与微生物培养基的配比可为：15～20g：10ml：60～75ml；具体可为：15g：10ml：65ml或20g：10ml：75ml；
所述复合微生物菌剂与所述固定化培养基的配比可为1g：15ml～1g：5ml，具体可为1g：10ml、1g：12ml。
上述用于牛粪好氧发酵的起爆剂通过包括下述步骤的方法制备得到：
1)制备复合微生物菌剂；
2)将火山石、葡萄糖与微生物培养基混合，得到固定化培养基；
3)将所述复合微生物菌剂接种到所述固定化培养基中，将所述复合微生物菌剂吸附固定化，离心去除上清液，收集沉淀，冷冻干燥，得到用于牛粪好氧发酵的起爆剂。
上述方法步骤1)中，所述复合微生物菌剂通过将不同种属的微生物菌剂在微生物培养基混合培养制备得到；
其中，所述微生物菌剂包括：蚀木链霉菌、枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、芽孢梭菌、高温单孢菌、纤维弧菌；
蚀木链霉菌、枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、芽孢梭菌、高温单孢菌、纤维弧菌的数目比可为：20-30：15：5：10-20：15-25：10-20，具体可为：27：15：5：18：20：15、25：15：5：20：25：10或25：15：5：20：17：18；
所述复合微生物菌剂每克含活菌数达5×108以上；
所述培养的温度可为：20～35℃，具体可为25℃，时间可为：24～48h，具体可为28h、30h。
上述方法步骤2)中，所述火山石和葡萄糖均为市售，火山石的粒度为50～100目。
所述固定化培养基中，火山石、葡萄糖与微生物培养基的配比可为：15～20g：10ml：60～75ml；具体可为：15g：10ml：70ml、18g：10ml：70ml或20g：10ml：75ml。
步骤3)中，所述复合微生物菌剂与固定化培养基的配比可为1g：15ml～1g：5ml，具体可为1g：8ml、1g：10ml或1g：12ml。
所述吸附固定化过程要反复振荡，以保证微生物菌剂与培养基混合均匀。
所述固定化的时间可为24～48h，具体可为30h、36h；
所述固定化的温度可为20～35℃，具体可为25℃。
所述离心的转速可为2000～4000r/min，离心时间可为15-25min，具体可为15min、20min或25min。
所述冷冻干燥在普通冷冻干燥机中进行即可。
通过上述方法制备得到的起爆剂也属于本发明的保护范围。
上述起爆剂在牛粪好氧发酵中的应用也属于本发明的保护范围。
所述应用，具体为：加快牛粪好氧发酵升温，延长高温期，提高好氧发酵产品质量，提高牛粪好氧发酵效率。
本发明还提供一种牛粪好氧发酵方法，为：在以牛粪为主要的发酵原料基础上添加上述起爆剂，好氧发酵，即可。
其中，所述起爆剂的添加质量为牛粪干基质量的10％-20％，具体可为15％。
本发明具有以下优点：
(1)牛粪好氧发酵过程进入高温期时间为13～20小时，高温期延长，15～20天则完成发酵且达腐熟和无害化。
(2)与现有的技术相比，添加本发明所制得的混合起爆剂，将较于专利CN201310430957.5，纤维素、半纤维素、木质素降解率更高，且发酵周期较短。
本发明针对牛粪木质纤维类物质含量高，好氧发酵过程升温时间长、高温期短、不利于腐熟等关键技术瓶颈问题，基于牛粪好氧发酵过程木质纤维素类物质变化及微生物群落结构变化特征，结合物理、化学和微生物学原理，以无机调理剂、易降解碳源和复合微生物菌剂为原料研发环保高效低成本牛粪好氧发酵起爆剂，以加快好氧发酵升温，延长高温期，提升好氧发酵产品质量，提高牛粪好氧发酵效率，为牛粪的肥料化利用提供技术支撑。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、生物材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
(1)将蚀木链霉菌、枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、芽孢梭菌、高温单孢菌、纤维弧菌按照配比为25：15：5：20：17：18混合均匀，加入到微生物培养基(向每1L水中加入牛肉膏5g，蛋白胨15g，氯化钠5g，121℃灭菌25min制得)中，25℃下培养温度30h，得到复合微生物菌剂；
(2)将火山石、葡萄糖与微生物培养基按15g：10ml：70ml的比例混合均匀，得到高效固定化培养基。
(3)取1g复合微生物菌剂置于250ml锥形瓶中，加入10ml高效固定化培养基，保证每克含有益菌数5×108以上，25℃下在150rpm振荡机中吸附固定30h，2000r/min下离心15min，倒掉上清液，下层沉淀冷冻干燥后即为牛粪好氧发酵起爆剂A1。
实施例2
(1)将蚀木链霉菌、枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、芽孢梭菌、高温单孢菌、纤维弧菌按照配比为27：15：5：18：20：15混合均匀，加入到微生物培养基(向每1L水中加入牛肉膏5g，蛋白胨15g，氯化钠5g，121℃灭菌25min制得)中，25℃下培养温度28h，得到复合微生物菌剂。
(2)将火山石、葡萄糖与微生物培养基按18g：10ml：70ml的比例混合均匀，得到高效固定化培养基。
(3)取1g复合微生物菌剂置于250ml锥形瓶中，加入8ml高效固定化培养基，保证每克含有益菌数5×108以上，25℃下在150rpm振荡机中吸附固定30h，2000r/min下离心25min，倒掉上清液，下层沉淀冷冻干燥后即为牛粪好氧发酵起爆剂A2。
实施例3
(1)将蚀木链霉菌、枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、芽孢梭菌、高温单孢菌、纤维弧菌按照配比为25：15：5：20：25：10混合均匀，加入到微生物培养基(向每1L水中加入牛肉膏5g，蛋白胨15g，氯化钠5g，121℃灭菌25min制得)中，25℃下培养温度28h，得到复合微生物菌剂。
(2)将火山石、葡萄糖与微生物培养基按20g：10ml：75ml的比例混合均匀，得到高效固定化培养基。
(3)取1g复合微生物菌剂置于250ml锥形瓶中，加入6ml高效固定化培养基，保证每克含有益菌数5×108以上，25℃下在150rpm振荡机中吸附固定32h，4000r/min下离心15min，倒掉上清液，下层沉淀冷冻干燥后即为本发明起爆剂A3。
对比例1
以同时不加复合菌剂和火山石的牛粪好氧发酵为对照(CK1)。
对比例2
以不加菌剂的牛粪好氧发酵为对照(CK2)，火山石的添加量为牛粪干基的3％。
对比例3
以加入市售CM复合菌剂的牛粪好氧发酵作为对照(CK3)。本例中商品菌剂购自山东亿安生物工程有限公司，主要成分为德氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌、解脂假丝酵母、糖蜜，纯化水，配比不详，每g复合菌剂中的活菌数为1×108以上。同时火山石作为无机调理剂与其共用于牛粪好氧发酵，火山石作为无机调理剂添加量为牛粪干基的3％，CM复合菌剂的添加量为牛粪干基的15‰。
对比例4
按照申请号为201510196684.1的专利制备复合微生物菌剂，为对照(CK4)。主要由以下步骤：
(1)接种，分别将枯草芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、德氏乳杆菌保加利亚亚种、酿酒酵母、巨大芽孢杆菌和巴氏芽孢梭菌，室温下，相对湿度为50％，培养18h，然后各加入到无菌水中，振荡30分钟后得到菌液；
(2)一级培养，将所述各菌液分别接种于盛有一级液体培养基的锥形瓶中,接种量为5％-10％，培养基的pH值为6.0-8.0,以180r/min转速培养24-48h，得到一级扩培菌液，一级扩培菌液中菌数量分别达到2-3亿/ml；
(3)二级培养，将各一级扩培菌液与二级液体培养基混合均匀后接种到载有二级液体培养基的锥形瓶中,接种量为5％-10％，以180r/min转速培养48-72h，得到二级扩培菌液，二级扩培菌液中菌数量分别达到2-3亿/ml；
其中，二级液体培养基组成为：蛋白胨10.0g，牛肉膏10.0g，琼脂15.0g，糖蜜5.0g，MgSO4.7H2O%200.2g，MnSO4.H2O%200.05g，CaCO3%2020.0g，NaCl%205.0g，蒸馏水1.0L；混合后112℃灭菌20min，自然冷却至室温，自然pH。
(4)按各菌种二级扩培菌液的质量百分含量为：枯草芽孢杆菌25％，嗜酸乳杆菌20％，德氏乳杆菌保加利亚亚种20％，酿酒酵母15％，巨大芽孢杆菌10％，巴氏芽孢梭菌10％，混合得到复合菌液；将复合菌液吸附到粒度200目的天然沸石粉上，粒度200目的天然沸石粉与有复合菌种的复合菌液的质量比为1:1，低温真空干燥，得到复合微生物发酵剂FJ。
对比例5
(1)将蚀木链霉菌、枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、芽孢梭菌、高温单孢菌、纤维弧菌按照配比为27：15：5：18：20：15混合均匀，加入到微生物培养基(向每1L水中加入牛肉膏5g，蛋白胨15g，氯化钠5g，121℃灭菌25min制得)中，25℃下培养温度28h，得到复合微生物菌剂。
(2)将天然沸石、葡萄糖与微生物培养基按18g：10ml：70ml的比例混合均匀，得到高效固定化培养基。
(3)取1g复合微生物菌剂置于250ml锥形瓶中，加入8ml高效固定化培养基，保证每克含有益菌数5×108以上，25℃下在150rpm振荡机中吸附固定30h，2000r/min下离心25min，倒掉上清液，下层沉淀冷冻干燥后即为牛粪好氧发酵起爆剂B。
此对比例为对照CK5。
对比例6
(1)将蚀木链霉菌、枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、芽孢梭菌、高温单孢菌按照配比为30：15：10：20：25混合均匀，加入到微生物培养基(向每1L水中加入牛肉膏5g，蛋白胨15g，氯化钠5g，121℃灭菌25min制得)中，25℃下培养温度30h，得到复合微生物菌剂；
(2)将火山石、葡萄糖与微生物培养基按15g：10ml：70ml的比例混合均匀，得到高效固定化培养基。
(3)取1g复合微生物菌剂置于250ml锥形瓶中，加入10ml高效固定化培养基，保证每克含有益菌数5×108以上，25℃下在150rpm振荡机中吸附固定30h，2000r/min下离心15min，倒掉上清液，下层沉淀冷冻干燥后即为牛粪好氧发酵起爆剂C。
此对比例为对照CK6。
上述有3个实施例和6个对比例，原料采用新鲜牛粪(含水率75％左右)、玉米秸秆(含水率5％左右)长度为1-3cm，将两者混合均匀。共设置9个处理，分别为发酵原料+牛粪起爆剂A1(QB1)、发酵原料+牛粪起爆剂A2(QB2)、发酵原料+牛粪起爆剂A3(QB2)、发酵原料(CK1)、发酵原料+火山石(CK2)、发酵原料+对照起爆剂CM(CK3)、发酵原料+对照复合微生物菌剂FJ(CK4)、发酵原料+牛粪起爆剂B(CK5)、发酵原料+牛粪起爆剂C(CK6)。
起爆剂的添加量为牛粪干基的15％，与发酵原料混合均匀，各处理调节堆体含水率至65％左右，C/N比为25；上述好氧发酵在60L发酵罐中进行，采取强制通风，升温期、降温期均每隔40min曝气一次，高温期每隔30min曝气一次，通风时间均为5min，通风量均为0.15m3·min-1·m-3。翻堆频率为5天/1次，温度达50℃以上10天认为基本腐熟，期间共发酵20天。
如表1，添加本专利发明的牛粪起爆剂的处理QB1、QB2和QB3，相比CK1不添加任何材料的发酵物料进入到50℃以上高温期的时间缩短了40～45h；相比CK2发酵物料进入到50℃以上高温期的时间缩短了19～24h；相比CK3、CK4、CK5、CK6等添加其它类型复合菌剂和起爆剂的处理，发酵物料进入到50℃以上高温期的时间缩短了5～15h；只添加火山石的CK2处理相较于未添加任何物质的CK1处理，发酵物料进入到50℃及以上的高温期缩短了21h。此外，添加本专利发明的牛粪起爆剂的处理QB1、QB2和QB3发酵物料50℃及以上高温期持续时间为10～12天，相比其它各处理也明显较长。综合分析，添加牛粪起爆剂的3组处理中的QB3处理，进入到50℃以上的时间最短且50℃及以上持续时间最长。可以看出添加牛粪起爆剂，可使牛粪好氧发酵快速升温，缩短升温期且延长高温期持续时间。
表1各处理及相关温度时间表
表中各指标，每组平行做三次，取平均值。
好氧发酵20天后，各处理发酵产品的理化性质如表2所示。添加本专利发明的牛粪起爆剂的QB1、QB2和QB3处理，其最终发酵产品含水率、pH值、电导率、E4/E6均小于CK1、CK2、CK3、CK4、CK5和CK6等未添加和添加其它类型复合菌剂和起爆剂的对照组处理，而种子发芽指数GI均高于6个对照组处理，说明本发明的起爆剂能有效促进牛粪在20天内腐熟，提高了好氧发酵效率，提升了发酵产品的品质。添加本发明QB1、QB2和QB3起爆剂后，即使在发酵周期较短，也能促进小分子有机酸向高分子的腐殖酸转化，腐熟化效果相较CK1、CK2、CK3、CK4、CK5和CK6等对照组更好，且产品种子发芽指数GI均大于90％，发酵物料达到完全腐熟和无害化，更有利于植物生长。
表2好氧发酵产品性质
表中各指标，每组平行做三次，取平均值。
好氧发酵20天后，发酵产品的木质纤维素降解率如表3所示。好氧发酵结束，添加QB1、QB2和QB3的发酵物料中纤木质纤维素降率均高于CK1、CK2、CK3、CK4、CK5和CK6等对照组，各起爆剂对发酵物料木质纤维素降解有不同程度的促进，从而加快好氧发酵腐熟进程。相比于6个对照组，QB1、QB2和QB3处理的对纤维素的降解率分别提高了25.9％～171.2％、16.0％～127.4％和7.6％～44.9％，其中QB3对木质纤维素的降解效果最好。由此可见本发明自制牛粪起爆剂可很大程度的加快木质纤维素的降解，提高发酵效率。
表3好氧发酵产品木质纤维素降解率
表中各指标，每组平行做三次，取平均值。
综上，本发明牛粪好氧发酵起爆剂QB1、QB2和QB3能有效提高牛粪好氧发酵升温速率，延长高温期时间，促进牛粪快速腐熟，加快木质纤维素类物质的降解，提高好氧发酵产品质量和发酵效率。
